Массоперенос при создании выработок-емкостей в каменной соли с газопроявлениями Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© В.А. Казарян, Д.Г. Поздняков, В.П. Малюков, 2008

УДК 69.035.4:622.363.1/.2

В.А. Казарян, А.Г. Поздняков, В.П. Малюков

МАССОПЕРЕНОС ПРИ СОЗДАНИИ ВЫРАБОТОК-ЕМКОСТЕЙ В КАМЕННОЙ СОПИ С ГАЗОПРОЯВЛЕНИЯМИ

Семинар № 19

Рассматривается один из физико-технических процессов при создании выработки-емкости в каменной соли методом подземного растворения с подачей растворителя через буровую скважину - массопе-ренос при разрушении породы с выделением газа при воздействии растворителя и технологические проявления таких процессов.

Влияние газа, выделяющегося из соли при растворении, на нераство-ритель

При создании выработки-емкости в каменной соли с газовыделением при растворении отмечается изменение свойств нерастворителя. Нерас-творитель более легкий, чем раствор ЫаС1 и находится в верхней части выработки (у кровли), ограничивая развитие выработки в вертикальном направлении. Нерастворитель рассматривается как элемент технологии, используемой для управления процессом создания подземной выработки-емкости в каменной соли.

При определении коэффициента массоотдачи на образцах керна каменной соли из интервала заложения выработок-емкостей обнаружено содержание газа в породе на Ёейков-ском штоке (Украина) и месторождении Тюз-Гелю (Турция). В процессе растворения каменной соли выделяется газ и частички нерастворимых включений. В зависимости от страти-

фикации раствора тяжелые частицы нерастворимых опускаются на дно выработки, а легкие частицы вместе с микропузырьками газа поднимаются вверх и значительное количество частиц попадает в нерастворитель.

Микропузырьки газа поднимаются вверх с разными скоростями в зависимости от их размера и стратификации раствора. Эту скорость можно оценить по закону Стокса. Также возможна оценка массы пузырька, его кинетической энергии и энергии, выделяемой при разрушении микропузырька.

V = 2д г2 (р1 - р2)/9 П1 (1)

т = (4,3) п г3 р2 (2)

Шк = т V2 /2 (3)

Шр = 2 п г2 (о1 - 02) (4)

где V - скорость пузырька газа; д - ускорение свободного падения; г - радиус микропузырька; рь р2 - соответственно плотность раствора и газа; П1

- вязкость раствора; т - масса газового пузырька; Шк - кинетическая энергия газового пузырька; Шр - энергия, выделяемая при разрушении микропузырька; о1; о2 - соответственно поверхностное натяжение раствора и газа.

В процессе создания подземной выработки-емкости в каменной соли при газовыделении из породы газовые пузырьки устремляются вверх, к кровле выработки, где находится нерастворитель - дизельное топливо

(Ёейковский шток). Газовые пузырьки привносят в нерастворитель легкие частицы нерастворимых включений и рассол. При этом происходит образование суспензии, которая состоит из дизтоплива, рассола, нерастворимых частиц и газа. При отборе на поверхность такое образование выглядит наподобие густой пористой маслянистой массы черного цвета с нерастворимыми частицами.

При рассмотрении газовыделений из каменной соли в процессе растворения следует учитывать возможные газовыделения из пропластков, прослоек и рассеянных нерастворимых включений.

При растворении каменной соли с газовыделением возможны различные варианты использования естественного газа в качестве нерастворителя с учетом параметров технологического регламента создания подземной выработки-емкости.

Механизм разрушения кристалла соли, содержащей газ, при воздействии растворителя

По характеру связи с породой, газы подразделяются на свободные и связанные. Свободные газы находятся в открытых микропорах и трещинах пород под давлением, теоретически достигающим величины напряжений массива [1]. Связанные газы заключены в виде микроскопических пузырьков внутри кристаллов соляных пород (внутрикристаллические), а также находятся в сорбированном состоянии на поверхности кристаллов, пор и трещин.

Как известно, в различных соляных породах и включениях одного месторождения могут содержаться различные газы. По качественному составу свободные газы в породах, например, сильвинитовых пластов Верхнекамского месторождения калийных солей представляют собой азотно-метано-

вую смесь и практически одинаковы для разных участков и шахтных полей. В составе свободных газов пород кар-наллитовых пластов отмечается повышенное содержание водорода [2].

В процессе генезиса часть газов отлагалась в самой соли, т.е. включалась при перекристаллизации в состав соли. При этом образовывались внутрикристаллические газы, заключенные во внутрикристаллических пустотах. Внутрикристаллические пустоты часто имеют кубическую или призматическую форму, диаметр самых маленьких пор составляет лишь доли микрона. При перекристаллизации солей образуются пустоты, как правило, с повышенным давлением в них газа. В процессе определения коэффициента массоотдачи вертикальной поверхности керна каменной соли в условиях естественной конвекции отмечается равномерное, практически одинаковой величины, распределение газа в кристаллах соли месторождения Тюз-Гелю. Такое распределение газа в кристаллах соли создает локально изменяемое давление в соляной породе (повышение давления в пустотах кристаллов, заполненных газом). Процесс растворения каменной соли характеризуется отскакиванием пластинок каменной соли и при этом может происходить их выпадение на дно подземной выработки. Такой процесс массоотдачи можно рассматривать как комбинированное газодинамическое явление - газовыде-ление с отскакиванием пластинок соли (газовыделение с разрушением кристаллов соли).

Процесс микровыброса газа, заключенного в соляной породе под давлением (при кратковременном протекании микровыброса), аналогичен адиабатическому изменению состояния газа. Газ охлаждается, что приводит к некоторому изменению температуры.

Для адиабатического процесса расширения газа энергия свободного газа может быть определена выражением (5):

Э = PrV

Y

1

Y

-1

Y

(5)

где рг- давление газа на момент отстрела пластинки соли; рп - величина противодавления в процессе растворения; y’ - показатель адиабаты (например для азота y’ = 1,4).

В каменной соли Лейковского месторождения микровключенные газы встречаются в кристаллах соли, а основная масса газа находится в газовых макровключениях в межкристал-лическом пространстве и среди породных включений в каменной соли. Процесс массоотдачи при растворении каменной соли Лейковского месторождения характеризуется дополнительно массоотдачей при выделении газа из межкристаллического пространства, а также разрушением породных включений с выделением газа. По интенсивности газовыделе-ний при растворении соли Лейковского месторождения процесс массоотдачи характеризуется: газовыделе-нием из породных включений, газо-выделением из межкристаллического пространства и газовыделением из внутрикристаллических пустот. Методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины на Лейковском месторождении каменной соли со значительным содержанием газа созданы 10 выработок-емкостей.

Стреляние (стреляние горной породы - rock bump, rock burst scaling) -разрушение поверхностного слоя каменной соли при отскакивании пла-

стинок породы с поверхности в результате изменения напряженного состояния породы при воздействии растворителя. Отделившиеся частицы имеют плоскую эллипсообразную форму. В процессе растворения каменной соли с месторождения Тюз-Гелю при утоньшении породной перегородки в кристалле соли, в котором под давлением находится газ, происходит отстрел (отскакивание) пластинок каменной соли (шелушение) и высвобождение газа.

Процесс массоотдачи при растворении каменной соли с отскакиванием пластинок характеризуется массой каменной соли, переходящей в раствор, массой каменной соли отскакиваемой в виде пластинок и выделяемым газом. Этот процесс характеризуется чередованием отскакивания пластинок с гидродинамическим воздействием вихревого пограничного слоя и газовыделением.

Впервые отмечено явление разрушения соляной породы не как растрескивание, а как отскакивание (микровыброс) пластинок соли в процессе растворения каменной соли с внутрикристаллическим содержанием газа (месторождение Тюз-Гелю), в отличие от Лейковского месторождения, где отскакивание пластинок соли не наблюдалось.

Процесс разрушения соляной породы при растворении с отскакиванием пластинок соли напоминает процесс разрушения призматических образцов при испытаниях на длительную прочность. При нагрузках, составляющих 90 % от разрушающей, во время испытаний отмечалось быстрое нарастание деформаций и через 5-30 час. происходило хрупкое, взрывоподобное разрушение образцов с отбросом разрушенных до мелких фракций соляных пород на определенное расстояние [1].

Таблица 1

Коэффициент скорости растворения вертикальной поверхности каменной соли в воде в условиях естественной конвекции при температуре 20°С, определенных на образцах керна скв. иОБ 1 Тиг Оо!ч

Номер Глубина в, ь, Р, Сь С2, к,

образца отбора, м см см г/см3 г г м/ч

10Р 1048,0- 1048,2 9,44 10,01 2,20 1541,40 1273,54 0,0596

15Р 1077,0- 1077,3 9,40 10,01 2,17 1510,0 1223,36 0,0643

25Р 1083,6- 1084,0 9,45 9,95 2,23 1558,6 1290,31 0,0598

36Р 1105,4- 1105,6 9,41 9,96 2,126 1472,8 1297,79 0,0387

42Р 1108,0- 1109,0 9,38 10,08 2,19 1524,7 1262,70 0,0583

45Р 1151,0- 1151,35 9,41 10,0 2,12 1471,15 1167,69 0,0685

52Р 1154,2- 1155,0 9,44 9,87 2,11 1458,7 1126,41 0,0761

64Р 1203,0- 1204,0 9,47 9,91 2,18 1520,6 1234,51 0,0644

74Р 1250,0- 1251,0 9,44 9,96 2,24 1559,35 1298,09 0,0584

82Р 1275,5- 1275,8 9,51 9,96 2,15 1524,45 1186,93 0,0759

86Р 1301,0- 1302,0 9,47 9,97 2,20 1524,90 1223,35 0,0682

93Р 1308,0- 1309,0 9,50 9,90 2,18 1533,2 1247,39 0,0640

Как отмечал Ф.Ф. Пермяков, стенки полостей выбросов, происходящих в соляных породах при взрывных работах или механическом воздействии, имеют всегда одинаковое строение. Происходит расслоение породы на отдельные мелкие слои, отделенные друг от друга трещинами. Отмечается, что взятый со стенок полости обрушения кусок соляной породы можно разделить на несколько более тонких пластинок толщиной 1-3 мм. Образование тонких пластинок, примерно одинакового размера, характерно для различных видов разрушения соляных пород, в том числе при отскакивании пластинок соли (чешуек) при выделении газа из кристалла каменной соли в процессе растворения. Это совпадает с теоретическими положениями акаде-

мика С.А. Христиановича о послойном отрыве выбросоопасных пород.

Возможно, что микровыброс - отскакивание пластинок соли при газо-выделении из кристаллов соли в процессе растворения сопровождается выделением пыли, которая растворяется в растворителе.

Разрушение стенок кристалла соли при выделении газа из кристалла в процессе растворения происходит, если давление газа превышает силы сопротивления породы разрушению. При этом в каменной соли вблизи контактной поверхности порода-растворитель образуются трещины приближенно ориентированные параллельно поверхности контакта. Микровыброс газа из кристалла соли с отскакиванием пластинок соли в процессе растворения представляет собой непрерывный

Таблица 2

Коэффициент скорости растворения вертикальной поверхности каменной соли в воде в условиях естественной конвекции при температуре 20°С, определенных на образцах керна скв. иОБ 2 Тиг Оо!ч

Номер Глубина в, ь, Р, Сх, Єг, к,

образца отбора, м см см г/см3 г г м/ч

27Р 962,6-963,0 9,46 9,99 2,17 1523,45 1249,60 0,0610

33Р 956,6-966,0 9,50 9,97 2,10 1486,72 1206,60 0,0624

44Р 972,0-972,7 9,52 9,98 2,24 1590,15 1362,98 0,0499

52Р 978,0-929,0 10,16 10,29 2,22 1854,2 1568,78 0,0489

55Р 1033,0- 1034,0 9,52 9,92 2,18 1540,9 1262,71 0,0620

68Р 1044,0- 1045,0 10,15 9,92 2,24 1800,7 1538,84 0,0540

68Рдубль 1044,8- 1045,0 10,16 10,05 2,25 1828,75 1568,7 0,0532

74Р 1049,8- 1050,0 10,17 9,92 2,21 1783,3 1512,98 0,0553

80Р 1105,0- 1105,5 10,08 11,1 2,25 1990,21 1707,2 0,528

84Р 1107,4- 1108,0 10,16 10,05 2,23 1816,9 1544,2 0,0558

90Р 1112,0- 1112,5 10,15 9,90 2,23 1782,36 1508,0 0,0572

96Р 1116,0- 1117,0 10,16 10,05 2,25 1837,87 1590,2 0,0502

98Р 1118,0- 1118,4 10,15 10,05 2,26 1838,5 1574,59 0,0537

99Р 1118,4- 1119,0 10,17 10,02 2,25 1831,9 1561,0 0,0551

101Р 1181,0- 1181,5 10,14 9,74 2,20 1731,7 1474,4 0,0533

107Р 1185,5- 1186,0 9,46 9,93 2,18 1519,85 1263,44 0,0574

110Р 1188,0- 1189,0 9,46 9,99 2,10 1530,17 1261,82 0,0586

112Р 1251,0- 1251,25 9,53 9,98 2,21 1573,71 1318,17 0,0563

120Р 1255,0- 1256,0 9,49 9,98 2,21 1564,9 1315,85 0,0550

127Р 1259,0- 1260,0 9,48 9,83 2,22 1539,3 1284,74 0,0573

131Р 1323,0- 1323,4 9,52 10,02 2,25 1607,75 1417,28 0,0413

139Р 1327,0- 1327,4 10,02 8,65 2,11 1436,19 1180,07 0,0612

процесс отрыва частиц соли (разрушения приконтактной зоны породы).

Влияние газопроявлений на величину коэффициента массоотдачи при растворении каменной соли

Полученные экспериментальные данные по изменению коэффициента скорости растворения каменной соли для различных морфологических типов [3] соляных месторождений (всего

196 образцов керна из интервалов размещения подземных выработок-емкостей), показали, что средняя величина коэффициента скорости растворения каменной соли составила: для двух месторождений пластового типа К1 = 0,048 м/ч; К2 = 0,0505 м/ч (исследовано 112 образцов); для месторождений купольного типа - К = 0,0595 м/ч (исследовано 26 образцов); для месторождений штокового типа - К = 0,058 м/ч (исследовано 58 образцов).

Средние значения коэффициента скорости растворения вертикальной поверхности керна каменной соли в условиях естественной конвекции при температуре 20 0С для скважин Ёей-ковского штокового месторождения следующее: скважина 3Т - 0,0575 м/ч; 4Т - 0,0567 м/ч; 5Т - 0,06 м/ч; 6Т - 0,0585 м/ч; 7Т - 0,0598 м/ч; 8т

- 0,0579 м/ч; 9Т - 0,0581 м/ч /4/. На Ёейковском месторождении ка-

1. Пермяков Р.С., Проскуряков Н.М. Внезапные выбросы соли и газа. Ё-д,1972-180 с.

2. Иванов О. В. Оценка газоносности пород сильвинитовых и карналлитов пластов Верхнекамского месторождения месторождения калийных солей. Стратегия и процессы освоения георесурсов: Материалы ежегодной науч. сессии Горного ин-та УрО РАН по результатам НИР в 2005 г. Пермь: Горный ин-т УрО РАН, 2006. с.160-163.

менной соли с газпроявлениями выявлен фактор более быстрого создания подземных выработок-емкостей по сравнению с традиционными расчетными параметрами, в которых не учитывались газопроявления.

Средние значения коэффициента скорости растворения вертикальной поверхности керна каменной соли в условиях естественной конвекции при температуре 20 0С для скважин месторождения Тюз-Гелю: скв.1 - К1 -0,063 м/ч; скв. 2 - К2 = 0,0582 м/ч (табл. 1 и 2).

Значение коэффициента массоот-дачи при растворении каменной соли с газопроявлениями увеличивается и несмотря на различные механизмы газопроявлений при растворении каменной соли Ёейковского штока (Украина) и месторождения Тюз-Гелю (Турция) значения коэффициентов массоотдачи достаточно близки.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Smirnov V.I., Kazaryan V.A., Pozdnyakov A.G., Igoshin A.I., Maljukov V.P. Method for experimental determination of rock salt dissolution rate coefficient used in Podzemgasprom, Ltd. SMRI, Fall Mitting 2002. Bad Ischi, Austria, pp. 287-298.

4 Малюков В.П. Газопроявления при строительстве подземных резервуаров в каменной соли. Горный информационноаналитический бюллетень № 9, 2002. - С. 163-169. ЕШ

— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------------

Казарян В. А. - доктор технических наук, профессор, 1-й зам. Генерального директора ООО «Подземгазпром» ОАО «Газпром»,

Поздняков А. Г. - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ООО «Подземгазпром» ОАО «Газпром»,

Малюков В.П. - кандидат технических наук, доцент Российского университета дружбы народов.

Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 19 симпозиума «Неделя горняка-2007». Рецензент д-р техн. наук, проф. В.Ж. Аренс.